Forskere skaber fiberoptiske sensorer, der opløses i kroppen

For første gang, forskere har fremstillet føleelementer kendt som fiber Bragg-gitter inde i optiske fibre designet til at opløses fuldstændigt inde i kroppen. De bioresorberbare fiber Bragg-gitre kunne bruges til kropsovervågning af heling af knoglebrud og til sikrere udforskning af følsomme organer såsom hjernen.

Et fiber Bragg-gitter er et optisk element indskrevet i en optisk fiber, som er meget brugt som sanseinstrument. Selvom fiber-Bragg-riste almindeligvis bruges til applikationer såsom realtidsovervågning af broers strukturelle sundhed eller sporing af flyvingers integritet, indtil nu har de ikke udvist egenskaber, der foretrækkes til brug i kroppen. Med et design, der giver dem mulighed for at bryde ned på samme måde som opløselige sømme, de nye glasfibre skal være sikre for patienter, selvom de ved et uheld går i stykker, ifølge forskerne.

"Vores arbejde baner vejen mod optiske fibersensorer, der sikkert kan indsættes i den menneskelige krop, sagde Maria Konstantaki, et medlem af forskerholdet fra Institute of Electronic Structure and Laser (IESL) af Foundation of Research and Technology - Hellas (FORTH), Grækenland, der fremstillede og karakteriserede de nye riste. "Fordi de opløses, Disse sensorer behøver ikke at blive fjernet efter brug og vil muliggøre nye måder at udføre effektive behandlinger og diagnoser på i kroppen."

FORTH forskerne samarbejdede med forskere fra Politecnico di Torino og Istituto Superiore Mario Boella, Italien, der udviklede, fremstillet og karakteriseret den specielle optiske fiber, der blev brugt til arbejdet. I tidsskriftet The Optical Society (OSA). Optik bogstaver , forskerne viser, at riste, der er ætset ind i den bioresorberbare glasfiber, opløses under forhold, der simulerer den menneskelige krops.

De nye bioresorberbare optiske Bragg-gitre kan bruges til at føle tryk ved led eller fungere som små prober, der sikkert kan nå og vurdere hjertet og andre sarte organer. Laserbaserede teknikker til fjernelse af tumorer kan også forbedres med disse optiske fibergitre, som samtidig kunne levere laserstrålen og give den nøjagtige temperaturføling i realtid, der er nødvendig for at overvåge laserablationsprocessen.

"Dette er første gang, at et meget brugt og velkalibreret optisk element såsom et Bragg-gitter er blevet ætset ind i en bioresorberbar optisk fiber, " sagde Konstantaki. "Vores tilgang kunne potentielt bruges til at skabe forskellige typer indbyrdes forbundne strukturer i eller på bioresorberbare optiske fibre, gør det muligt at udføre en bred vifte af sanse- og biokemiske analyseteknikker inde i kroppen."

At lave glas, der opløses

For at skabe optiske fiber Bragg-gitre, der sikkert kan bruges i kroppen, forskerne udviklede en speciel type glas lavet af fosforoxid kombineret med oxider af calcium, magnesium, natrium og silicium. "Dette glas kombinerer fremragende optiske egenskaber med biokompatibilitet og vandopløselighed, giver således en pålidelig platform, hvorfra man kan fremstille optiske fibre, der opløses i vand eller biologiske væsker, " sagde Daniel Milanese fra Politecnico di Torino. "De optiske fibres egenskaber kan justeres ved at ændre glassammensætningen korrekt."

Optisk fiber Bragg-gitre skabes ved at bruge en laser til at indskrive en optisk fiber med et mønster, der får fiberen til at reflektere en bestemt bølgelængde tilbage i den retning, den kom fra. En type rist kendt som bragg-gitter med skrå optisk fiber tillader noget af det reflekterede lys at undslippe fra fiberkernen og trænge ind i den omgivende beklædning. Tiltede gitre bruges ofte til sansning, fordi ændringer på den fibercylindriske overflade modificerer det tilbagereflekterede lys på en måde, der kan overvåges.

Forskerne skabte både vippede og standard optiske fiber Bragg-gitre for bedre at forstå, hvordan de parametre, der blev brugt til inskription, påvirkede gitterfølingsegenskaberne. De fandt ud af, at udsættelse af den bioresorberbare fiber for ultraviolet laserlys med en given rumlig intensitetsfordeling - som beskriver, hvordan laserstråleeffekten fordeles - skabte et tilsvarende overfladereliefmønster i det optiske fibervolumen efter opløsning.

"Dette fund baner vejen for nye anvendelser af disse typer materialer, især i fiberform, " sagde Stavros Pissadakis, der leder FORTH gruppen. "Komplekse fluidiske eller optiske strukturer kunne skabes ved hjælp af lasere til at lave en enhed med et væld af skræddersyede funktionaliteter."

Efter at have bekræftet, at mønstrene skabt af inskriptionsprocessen fungerede som et fiber Bragg-gitter, forskerne nedsænkede fibre med og uden fiber Bragg-gitre i en opløsning, der simulerede den menneskelige krops pH- og temperaturforhold i 56 timer. De fandt ud af, at glasset, der var blevet ætset med laserlys, opløste sig hurtigere end ueksponeret glas.

Forskerne udfører nu systematiske eksperimenter for bedre at forstå, hvordan fibersammensætningen og ultraviolette laserbestrålingsforhold påvirker den hastighed, hvormed fiber Bragg-gitteret opløses. Denne information kan bruges til at skabe fiber Bragg-gitre, der opløses inden for en bestemt tidsperiode. Før det bruges i mennesker, opløsende og følende egenskaber af fiber Bragg-ristene skal undersøges hos dyr.